原标题：强静磁场时效对Al-4Cu合金析出动力学的影响研究

Al-Cu合金作为一种典型的时效硬化合金，其时效过程中的脱溶贯序为：过饱和固溶体→G.P.区→θ″相→θ′相→θ相。时效过程中，高密度的纳米析出物有效地阻碍了位错运动，显著提高了材料性能。铝合金的时效过程本质上是一种扩散相变，溶质原子的扩散在这一过程中起重要作用。目前，主要通过调控时效工艺参数和合金成分来优化铝合金的时效过程。然而，这些时效过程往往相对复杂，需要对时间和温度进行精确控制。近年来，研究者发现磁场可以影响材料的固态相变过程。因此，磁场下热处理成为了一种重要的新工艺，以此来改善材料的微观组织及力学性能。

磁场作为一种外加物理场，具有无接触的特点，为调控材料提供了额外的自由度。磁场可以改变固态相变的热力学和动力学条件，从而调控材料的微观结构、形态、成分分布和性能。由于铁磁材料具有较高的磁化率，磁场对其自由能影响较强，因此磁场对铁磁性材料固态相变的影响得到了广泛的研究。然而，磁场热处理对非磁性材料微观组织和性能的研究报道较少。对强磁场下Al-Si合金的析出行为进行研究，发现Al-Si合金中析出的金属间化合物呈片状并垂直于磁场方向排列。研究了高脉冲磁场对TC4钛合金组织和力学性能的影响，发现脉冲磁场诱导了β相向α相的转变，同时磁场提高了钛合金的位错密度。研究了1 T磁场下90~200 ℃时效后超细晶7075铝合金的位错形貌和析出行为，发现磁场降低了位错的临界剪切应力，增加了溶质的扩散系数，促进了位错和溶质原子的运动。在0.5 T磁场下对7A62铝合金进行了时效处理，发现其峰值时效时间显著缩短，磁场促进了析出相的形核与长大。在Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的时效阶段施加了脉冲磁场，发现脉冲磁场有利于增加析出质点数量并促进析出相长大。以上试验表明，磁场可以改变非磁性材料的固相相变过程。然而，磁场对非磁性材料的作用机制仍不清晰，理论研究缺乏说服力。因此，有必要系统地研究磁场在非磁性材料固态相变中的影响规律和作用机制，这对优化铝合金热处理工艺有重要的科学意义和实际价值。

本研究针对强磁场对Al-4Cu合金时效析出相的影响，通过透射电镜系统研究Al-4Cu合金在130 ℃分别时效1、5和10 h时，有、无10 T强磁场作用下的显微组织，探究强磁场对时效析出相及形核机制的影响，并进一步讨论强磁场对析出动力学的作用机理，旨在为相关研究提供参考。

图文结果

试验用Al-4.0Cu合金材料由（质量分数，下同）高纯铝（99.99%）和高纯铜（99.9%）经真空感应熔炼得到。熔炼后采用真空吸铸法得到直径为ϕ8 mm的棒材。采用线切割方法对棒材中间部分进行切割，得到ϕ8 mm×8 mm的圆柱试样。Al-4Cu合金的热处理工艺见图1，包括固溶和时效处理。

试样在YFX18/12Q-GC型箱式马弗炉530 ℃下固溶12 h，水淬（WQ），淬火转移时间小于1 min。长时间固溶目的在于将铸态合金中的初生θ相（CuAl2相）完全溶解于基体中，同时起到均匀化作用，减少偏析，使溶质原子分布更均匀，降低内应力。提前将磁场升至10 T并稳定一段时间，在130 ℃下分别时效1、5和10 h，水淬（命名为磁场热处理合金，简称MH合金）。同时，在无磁场条件下时效进行对照试验（命名为普通热处理合金，简称NH合金）。时效时间由Al-Cu合金的析出顺序决定，分别对应G.P.区、θ″相和θ′相的析出时间。

通过FEI Nova450型聚焦离子束显微镜的聚焦离子束（FIB）技术制备纳米尺度的超薄试样。然后，将制备好的试样在Talos F200s型高分辨透射电镜上进行显微组织观察，操作电压为200 kV。在TEM观察中，沿［110］Al晶带轴拍摄。

图1 有、无10 T强磁场下Al-4Cu合金的热处理工艺

图2为时效1 h试样的TEM图及相应的FFT衍射图。从图2a和图2b中可以看出，在无磁场的条件下时效1 h后，在NH合金的（11¯1）Al惯习面上析出一层或两层的Cu原子层，该析出相形貌为针状。从图2c可见，其FFT衍射花样显示在［110］Al投影中观察到了特定方向的特征条纹，该条纹为沿（11¯1）AI方向的不连续特征条纹，这表明该析出相为与母相完全共格的G.P.区，其生长于｛100｝平面上。从图2a和图2c中可以观察到析出的G.P.区数量较少且大小不一，这表明此时处于G.P.区析出的孕育阶段，只有小部分G.P.区形核并长大。对于MH合金，时效1 h后内部没有析出相出现，其对应的FFT衍射图也显示为标准的α-Al衍射花样，没有出现G.P.区特征条纹，说明MH合金在时效1 h后还没有G.P.区析出。这可能是由于10 T强磁场抑制Cu原子的扩散并引起了界面能的增大，使得Cu原子团簇形成困难，而G.P.区通常在Cu原子团簇处形核，导致10 T强磁场抑制了G.P.区的析出。

图2 NH合金和MH合金时效处理1 h后沿

［110］Al带轴的TEM显微组织和相应的FFT衍射图

图3为时效5 h后试样的TEM组织及相应的FFT衍射图。可以发现，随着时效时间延长，NH合金和MH合金中都有大量弥散分布的析出相出现。NH合金中以盘片状析出相为主，而MH合金中以针状析出相为主。另外，两者的FFT衍射花样与时效1 h后NH合金的FFT衍射花样类似，衍射斑点均为α-Al基体，且都出现了沿（11¯1）Al方向的特征条纹，时效5 h后试样的特征条纹连续且更加明锐，说明该析出相为θ″相。这种连续明锐的特征条纹是由于Cu原子在Al的（100）面进一步富集，G.P.区长大并逐渐有序化转变为θ″相所致。对比图3c和图3d可知，MH合金中的θ″相比NH合金中数量更少、尺寸更小。为了进一步探究10 T强磁场对Al-Cu时效过程中析出相演变的影响，对析出相的平均尺寸和数量密度（100 nm-1×100 nm-1）进行统计（约1 000个θ″相计数）。发现NH合金和MH合金时效5 h后θ″相的平均尺寸分别为12.0 nm和8.2 nm，平均数量密度分别为23和18。这说明10 T强磁场使θ″相的平均尺寸和析出数量减少，抑制了θ″相的形核过程。

图3 NH合金和MH合金时效处理5 h后的TEM和FFT衍射图

图4为NH合金和MH合金时效10 h后试样的TEM组织。可以发现，与NH合金相比，MH合金中析出相数量较少，分布更为分散。对明场像中蓝色框选位置的析出相进行放大观察，发现新析出相周围仍有少量θ″相存在，但MH合金中的新析出相内部仍保留了与周围θ″相方向相同的条纹，而NH合金中的新析出相内部没有保留类似的条纹。从FFT衍射花样可见，在基体的1/2（11¯1）Al处都出现了新的明锐的衍射斑点。这表明在时效10 h后，无论是否处于10 T强磁场作用下，Al-Cu合金中都出现了从θ″相演化为四方结构的θ′相。对比发现，MH合金中θ′相的衍射花样仍四方结构存在沿（11¯1）Al方向的衍射条纹，该方向与θ″相的方向相同，且1/2（11¯1）Al处的新衍射斑点较α-Al基体的衍射斑点强度较弱，这表明MH合金中的θ′相仍与α-Al基体呈部分共格或半共格关系，而NH合金中的θ′相与基体则丧失了共格关系。值得注意的是，从明场像中可以看出，MH合金中半共格的θ′相尺寸比NH合金中非共格的θ′相尺寸更大。而在通常情况下，由于共格会产生额外的弹性畸变能，θ′相会随之长大而与基体丧失共格关系。同时，还可以发现，NH合金中沿｛100｝面析出的盘片状θ′相，其宽面具有较好的对称性，而在10 T强磁场的作用下，θ′相的形貌逐渐转变为板条状，失去了对称性。

图4 NH合金和MH合金时效处理10 h后的TEM和FFT衍射图

结论

（1）10 T强磁场使溶质原子的扩散系数降低，这可能是由于磁有序降低了原子跳动频率、空位形成熵和空位迁移熵，从而延缓了溶质原子的扩散；根据磁偶极子理论，强磁场可以增加Al-Cu合金的相界面能。

（2）短时间时效时间下（1~5 h），强磁场抑制了G.P.区和θ″相的形核和粗化，这主要是由于时效前期α-Al基体中Cu原子浓度和空位浓度较高，此时强磁场对Cu原子扩散的抑制作用很强，从而抑制了新相的生成。在长时效时间（10 h）下，强磁场加速了θ′相的粗化，这主要是由于界面能的增加促进了Ostwald熟化过程。

（3）强磁场使得具有较高对称性的盘片状θ′相转变为板条状，同时使得尺寸更大的θ′相保留了与基体的半共格关系，这主要是由于界面能的增大所引起的。

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《强静磁场时效对Al-4Cu合金析出动力学的影响研究》

陈思宇 帅三三 蒋丹青 胡涛
陈超越 徐松哲 王江 任忠鸣

上海大学材料科学与工程学院，先进特殊钢全国重点实验室

本文转载自：《特种铸造及有色合金》